一種高效率次級諧振單級反激PFC變換器

李 郎，楊岳毅，曾怡達

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，鄭州 450003）

一種高效率次級諧振單級反激PFC變換器

李 郎1，楊岳毅2，曾怡達1

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機車車輛學(xué)院，鄭州 450003）

針對傳統(tǒng)單級反激功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）變換器存在工作效率低、變換器開關(guān)管和輸出二極管電壓應(yīng)力大等缺點，研究了一種次級諧振單級反激PFC變換器，不僅能夠合理利用次級漏感能量，提高變換器效率，而且有效解決了傳統(tǒng)單級反激變換器開關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問題；同時還分析了次級諧振單級反激PFC變換器工作于電感電流斷續(xù)模式DCM（discontinuous current mode）時的工作模態(tài)及其穩(wěn)態(tài)工作特性，并將該變換器應(yīng)用于LED驅(qū)動電路。最后，通過實驗驗證了理論分析的正確性。

功率因數(shù)校正；斷續(xù)導(dǎo)電模式；次級漏感諧振；LED驅(qū)動

引言

考慮多路輸出和安全，小功率LED驅(qū)動電路常采用單級反激功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）變換器［1］。但傳統(tǒng)的單級反激PFC變換器由于變壓器漏感嚴重影響了電路的工作效率（一般只有80%左右），還造成變換器開關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力過大［2］。為了解決這些問題，可以在單級反激PFC變換器一次側(cè)加入LCD吸收電路，這樣不僅增加了器件數(shù)，而且效率不高［3］。但在單級反激PFC變換器一次側(cè)增加漏感回饋通路，可以提高工作效率，但PF值低［4］。

本文在傳統(tǒng)單級反激PFC變換器的二次側(cè)加入一個諧振電容和一個快恢復(fù)二極管構(gòu)成的次級諧振單級反激PFC變換器，分析了工作在DCM模式下的次級諧振單級反激PFC變換器的工作模態(tài)以及正輸入電壓情況下該變換器的工作特性。分析結(jié)果表明，該驅(qū)動電路不僅提高了變換器的工作效率，而且有效解決了傳統(tǒng)單級反激PFC換器開關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問題，并且也可以實現(xiàn)開關(guān)管的軟導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。

1 工作原理分析

新型次級諧振反激PFC變換器由二極管整流橋、輸入電容Cin、變壓器T、開關(guān)管S、諧振支路Cr和二極管Do1、輸出二極管Do2和輸出電容Co組成，如圖1所示。

為了簡化分析，假設(shè)：①輸出電容Co足夠大，輸出電壓保持不變；②變壓器漏電感很小，諧振電容Cr遠小于輸出儲能電容Co；③不考慮開關(guān)器件寄生參數(shù)的影響。

圖1 次級諧振單級反激PFC變換器Fig.1 Secondary side resonant single-stage flyback PFC converter

1.1 輸入電壓正半周時工作模態(tài)分析

次級諧振單級反激PFC變換器的工作模態(tài)與傳統(tǒng)單級反激PFC變換器相似，其輸入電壓正半周工作模態(tài)與負半周時相同。為簡化分析，假設(shè)：①開關(guān)周期T遠小于交流輸入電壓周期Tl，在每一個開關(guān)周期內(nèi)，交流輸入電壓保持不變；②輸出電容Co足夠大，輸出電壓Vo保持不變；③變壓器次級漏感Llr遠小于初級勵磁電感Lm；④諧振電容Cr遠小于輸出電容Co；⑤初、次級匝比為n，即NP/NS＝n。設(shè)變換器的交流輸入電壓為：vin=Vmsin（ωt），其中Vm為交流輸入電壓峰值；ω＝2π/Tl。

輸入電壓正半周時，工作于DCM模式下的次級諧振反激PFC變換器存在4個工作模態(tài)，其主要工作波形如圖2所示。

圖2 正輸入電壓時變換器工作模態(tài)的主要波形Fig.2 Key waveforms for converter operation mode in positive input voltage

模態(tài)1［t0～t1］：t0時刻，開關(guān)管S導(dǎo)通，勵磁電感Lm兩端電壓等于輸入電壓Vin，勵磁電感電流線性上升；次級漏感Llk與諧振電容Cr發(fā)生諧振，二極管Do1導(dǎo)通，二極管Do2關(guān)斷；電容Co向負載放電。t1時刻，次級電流is諧振到0，模態(tài)1結(jié)束。在t0～t1期間，勵磁電感電流iLm與次級電流is耦合到初級的電流疊加構(gòu)成初級電流ip，則諧振電容電壓、初次級電流與勵磁電流分別為

模態(tài)2［t1～t2］：t1時刻，次級電流is諧振到0，二極管Do1零電流關(guān)斷，二極管Do2承受Vo-ΔvCr而保持關(guān)斷；電容Co向負載放電。t2時刻，開關(guān)管S關(guān)斷，模態(tài)2結(jié)束。在t1～t2期間，開關(guān)管S導(dǎo)通，勵磁電感電流iLm繼續(xù)線性上升，初級電流ip等于勵磁電流iLm，諧振電容電壓vCr保持為Vin/n+ΔvCr。為了在模態(tài)2期間實現(xiàn)二極管Do1的零電流關(guān)斷，開關(guān)管需要在諧振支路發(fā)生諧振的半個周期后關(guān)斷，即需滿足

式中，D1T為開關(guān)管在一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時間。

模態(tài)3［t2～t3］：t2時刻，開關(guān)管S關(guān)斷，二極管Do2導(dǎo)通，二極管Do1關(guān)斷；電感電流is向電容Co充電并向負載放電；由于變壓器次級漏感Llr遠小于初級勵磁電感Lm，諧振支路的諧振可以忽略。t3時刻，次級電流is衰減到0，模態(tài)3結(jié)束。在t2～t3期間，諧振電容電壓為

由圖2可知，諧振電容Cr電壓在一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)變化量為2ΔvCr。根據(jù)諧振電容Cr電荷平衡原理，可得ΔvCr為

式中，D2T為一個開關(guān)周期內(nèi)次級電流衰減到0的時間。

由式（7）可知，在一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)，諧振電容Cr的電壓變化量較小，一般可以忽略不計。諧振電容電壓平均值vCr＝Vin/n，因此可得次級電流為

模態(tài)4［t3～t4］：t3時刻，由于次級電流is衰減到0，諧振電容兩端電壓下降為-Vo-ΔvCr，二極管Do2零電流關(guān)斷，二極管Do1承受電壓Vin-ΔvCr而保持關(guān)斷，電容Co向負載放電以維持輸出電壓不變。t4時刻，開關(guān)管S再次導(dǎo)通，模態(tài)4結(jié)束。

依據(jù)勵磁電感Lm伏秒平衡原理，結(jié)合式（3）與式（8）可得

2 次級諧振反激PFC變換器特性分析

2.1 電壓增益分析

將vCr＝Vin/n帶入式（9）可得在交一個穩(wěn)態(tài)開關(guān)周期內(nèi)，該變換器的直流穩(wěn)態(tài)增益為

負載電流Io為

結(jié)合式（10）與式（11）可得

其中，τ1＝Lm/RT。

2.2 輸入電流特性分析

在一個開關(guān)周期內(nèi)，工作于DCM模式的次級諧振單級反激PFC變換器的初級電流由勵磁電感電流與次級電流耦合到初級的電流疊加構(gòu)成，如圖3所示。則初級電流平均值iPavg、勵磁電感電流平均值iLmavg與次級電流平均值iSavg分別為

將式（14）與式（15）代入式（16）得

將式（10）代入式（17）可得

由式（18）可知：由于次級諧振支路的影響，次級諧振單級反激PFC變換器的輸入電流平均值不僅與開關(guān)管導(dǎo)通時間有關(guān)，而且與α值有關(guān)；當開關(guān)管導(dǎo)通時間不變，α值越小，次級諧振單級反激PFC變換器的平均輸入電流正弦度越高。

圖3 新型次級諧振反激PFC變換器輸入電流波形Fig.3 Input current waveform of new secondary resonant flyback PFC converter

3 實驗分析

基于單電壓環(huán)控制策略，搭建了DCM模式下應(yīng)用于LED驅(qū)動的次級諧振反激PFC變換器的實驗樣機，樣機參數(shù)為：輸入電壓Vin為85～135 Vrms，Po＝60 W，Io＝500 mA，fl＝50 Hz，f＝50 kHz，Lm＝402 μH，Cin＝0.22 μF/400 V，Co＝470 μF/250 V，Lr＝4.2 μH，Cr＝0.66 μF。樣機的MOSFET選用SMK12N65，次級快恢復(fù)二極管采用MUR1560，LED的恒流控制采用LT494芯片和光耦隔離驅(qū)動芯片HCPL3120實現(xiàn)。當交流輸入電壓為85 Vrms時交流輸入電壓與輸入電流波形如圖4所示，開關(guān)管電壓及輸入電流波形如圖5所示，次級諧振單極反激PFC逆變器的二極管電壓及次級電流波形如圖6所示。

圖4 交流輸入電壓與交流輸入電流波形（Vin=85 V）Fig.4 Waveforms of input line voltage,input current Vin=85 V

由圖4可見，工作在DCM模式下，變換器的輸入電流與輸入電壓同相位，且輸入電流很好地跟蹤了輸入電壓，實現(xiàn)了功率因數(shù)的校正功能。

圖5 開關(guān)管電壓Vs與輸入電流ip波形Fig.5 Waveforms of switch voltage Vsand input current ip

由圖5可見，工作于DCM模式的樣機開關(guān)管實現(xiàn)了軟導(dǎo)通，從而降低了開通損耗。若不考慮初級漏感的影響，次級諧振單級反激PFC變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力小于傳統(tǒng)單級反激PFC變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力。由于諧振支路的作用，次級諧振單級反激PFC變換器的開關(guān)管電壓被箝位于nVo+ΔvCr與nVo-ΔvCr之間。

圖6 次級諧振單級反激PFC變換器的二極管電壓與次級電流波形Fig.6 Waveforms of D02voltage and secondary current for secondary resonant single stage flyback PFC converter

由圖6可見，次級諧振單級反激PFC變換器中的快恢復(fù)二極管Do1、Do2均能夠?qū)崿F(xiàn)零電流關(guān)斷，有效地消除了二極管的反向恢復(fù)損耗，且快恢復(fù)二極管承受電壓最大值為Vo。

在相同實驗樣機上，通過增減諧振電容和二極管比較次級諧振單級反激PFC變換器與傳統(tǒng)單級反激PFC變換器的效率，如圖7所示。由圖7可見，本文研究的次級諧振單級反激PFC變換器的最大效率可達91%，比傳統(tǒng)單級反激PFC變換器效率高3%。

4 結(jié)語

本文研究了一種應(yīng)用于LED驅(qū)動的次級諧振單級反激PFC變換器，詳細分析了該變換器工作在電感電流斷續(xù)模式下的工作過程。分析及實驗結(jié)果表明：工作在電感電流斷續(xù)模式下，該變換器能較好地實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，提高了變換器的效率，有效解決了傳統(tǒng)反激PFC變換器開關(guān)管、輸出二極管電壓應(yīng)力較大的問題，并且也可以實現(xiàn)開關(guān)管的軟導(dǎo)通和二極管的零電流關(guān)斷。最后，通過實驗驗證了理論分析的正確性。

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A High Efficiency Flyback PFC Converter with Secondary Side Resonant Circuit

LI Lang1，YANG Yueyi2，ZENG Yida1
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.School of Locomotive and Rolling Stock，Zhengzhou Railway Vocational＆Technical College，Zhengzhou 450052，China）

To improve the problems of low efficiency，high voltage stress for the switch and diode，a secondary side resonant single-stage flyback PFC converter is studied，which can improve efficiency by recycling the energy of the secondary side leakage inductance and alleviate the high voltage stress of the switch and diode.The working mode of the secondary side resonant single-stage flyback PFC converter in DCM is analyzed and the steady state characteristic is studied，and the converter is applied to the LED driver circuit.Finally，the theoretical analysis is verified by experimental results.

power factor correction；discontinuous current mode；secondary side resonant；LED driver circuit

李郎

李郎（1990-），男，碩士生，研究方向：功率因數(shù)校正技術(shù)，E-mail：aerfand beta@163.com；

楊岳毅（1987-），男，碩士生，研究方向：功率因數(shù)校正技術(shù)，E-mail：yyy94227@163.com；

曾怡達（1973-），男，博士生，副教授，主要研究方向：功率開關(guān)變換器、軟開關(guān)技術(shù)和電力系統(tǒng)信號分析，E-mail：yidaz@126.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.1.56

：TM 46

：A

2014-07-31

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（SWJTU 2011CX003EM）

Project Supported by the Fundamental Research Funds for theCentralUniversities（SWJTU2011CX003EM）